分子蒸馏技术概述及其应用

石河子大学

化工实验技术课程论文

《分子蒸馏技术概述及其应用》

中国·新疆·石河子

2012年7月

分子蒸馏技术概述及其应用

(石河子大学化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室，新疆石河子，832003) 摘要：分子蒸馏是一种在高真空下进行的特殊蒸馏技术。分子蒸馏是一项国内外正在工业化开发应用的高新分离技术,尚未实现大规模的工业化。分子蒸馏技术同普通蒸馏技术的差别很大。本文介绍了分子蒸馏基本原理、技术特点、主要装置和优势。此外还详细介绍了分子蒸馏技术在国内外的应用新进展,并提出了未来分子蒸馏领域的重点研究方向。

关键词：分子蒸馏应用进展

引言

分子蒸馏(molecular distillation)也称短程蒸馏(short-path distillation)，是一种在高真空下（残气分子的压力<0.1Pa）进行的连续蒸馏过程。分子蒸馏过程与传统的蒸馏过程不同，传统蒸馏是在沸点温度下进行分离的，蒸发与冷凝过程是可逆的，液相与汽相间会形成平衡状态。分子蒸馏过程是一个不可逆的，并且在远离物质常压沸点温度下进行的蒸馏过程，更确切地说，它是分子蒸发的过程。由于其操作温度远低于物质常压下的沸点温度，同时物料被加热的时间非常短，不会对物质本身造成破坏，因此分子蒸馏广泛应用于化工、医药、轻工、石油、油脂、核化工等工业中，用于浓缩或纯化高分子量、高沸点、高粘度的物质及热稳定性较差的有机化合物[1,2]。

分子蒸馏技术不同于一般蒸馏技术,它是运用不同物质分子运动自由程的差别而实现物质的分离,能够实现远离沸点下的操作。它具备蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点,能大大降低高沸点物料的分离成本,极好地保护热敏性物质的品质。分子蒸馏技术已广泛应用于高纯物质的提取,它可摆脱化学处理方法的束缚,真正保持了纯天然的特性,所以特别适用于天然物质的提取与分离,在国际上已被广泛应用于食品、医药、香料等工业中。

1 分子蒸馏技术的基本原理

根据分子运动理论，液体混合物的分子受热后运动会加剧，当接受到足够能量时，就会从液面逸出而成为气相分子，随着液面上方气相分子的增加，有一部分气体就会返回液体，在外界条件保持恒定情况下，就会达到分子运动的动态平衡。从宏观上看达到了平衡。

分子在运动过程中，它的自由程不断发生变化，在某时间间隔内自由程的平均值为平均自由程[3]。不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，其自由程也不相同，即不同种类的分子逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不相同的。分子蒸馏技术正是利用不同种类分子逸出液面(蒸发液面)后的平均自由程不同的性质实现的。

液体混合物为达到分离的目的，首先进行加热,能量足够的分子逸出液面，轻分子的平均自由程大，重分子平均自由程小，若在离液面小于轻分子的平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一冷凝面，使得轻分子不断被冷凝，从而破坏了轻分子的动平衡而使混合液中的轻分子不断逸出，而重分子因达不到冷凝面很快趋于动态平衡，不再从混合液中逸出,这样,液体混合物便达到了分离的目的。

下图为分子蒸馏的原理示意图

因此，要利用分子蒸馏技术分离物料，必须满足3个条件：首先，轻、重分子的平均自由程要有差异,且差异越大越好；其次，蒸发面与冷凝面的间距要小于轻分子平均自由程；另外，分子蒸馏系统中应保持较高的真空度且蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差。

2 分子蒸馏技术的过程及特点

2.1 分子蒸馏分离过程

根据分子蒸馏器设计原则，低沸点组分首先获得足够的能量从液膜表面蒸发，径直飞向中间冷凝器并被冷凝成液相，并在重力作用下沿冷凝器壁面向下流动，进入馏出组分接收瓶，未能到达冷凝面的重组分沿加热面流下，进入残留组分接收瓶，即分子蒸馏过程主要分为5个步骤：

(1) 分子从液相主体向蒸发面扩散。通常，液相中的扩散速度是控制分子蒸馏速率的主要因素，在设备设计时，应尽量减薄液层厚度并强化液层的流动。

(2) 分子从蒸发面上自由蒸发。分子在高真空远低于沸点的温度下进行蒸发。蒸发速率随着温度的升高而上升，但分离效率有时却随着温度的升高而降低，所以应以被加工物质的热稳定性为前提,选择经济合理的蒸馏温度。

(3) 分子从蒸发面向冷凝面飞射，在飞射过程中，可能与残存的空气分子碰撞,也可能相互碰撞。但只要有合适的真空度，使蒸发分子的平均自由程大于或等于蒸发面与冷凝面之间的距离即可。

(4) 分子在冷凝面上冷凝，冷凝面形状合理且光滑，从而完成对该物质分子的分离提取。

(5) 馏出物和残留物的收集。由于重力作用，馏出物在冷凝器底部收集。没有蒸发的重组分和返回到加热面上的极少轻组分残留物由于重力或离心力作用，滑落到加热器底部或转盘外缘。

2.2 分子蒸馏的特点

(1) 分子蒸馏的操作真空度高、操作温度低。由于分子蒸馏是依据分子运动平均自由程的差别将物质分开，因而可在低于混合物的沸点下将物质分离。加之其独特的结构形式决定了其操作压强很低，一般为0.13～1.33 Pa，这又进一步降低了物质的沸点，因此分子蒸馏可在远低于混合物沸点的温度下实现物质的分离。一般来说，分子蒸馏的分离温度比传统蒸馏的操作温度低50～100 ℃。

(2) 受热时间短。在分子蒸馏器中，受热液体被强制分布成薄膜状，膜厚一般为015 mm 左右，设备的持液量很小，因此，物料在分子蒸馏器内的停留时间很短，一般几秒至十几秒，使物料所受的热损伤极小。这一特点很好地保护了被处理物料的颜色和特性品质,使得用分子蒸馏精制的产品在品质上优于传统真空蒸馏法生产的产品。

(3) 分离程度高。分子蒸馏比常规蒸馏有更高的相对挥发度，分离效率高。这使得聚合物可与单体及杂质进行更有效的分离。对用两种方法均能分离的物质而言,分子蒸馏的分离程度更高。常规蒸馏的相对挥发度为[4]:12=

P P α；

而分子蒸馏的相对挥发度为: 'α式中:M1— 轻分子相对分子质量；M2— 重分子相对分子质量；P1— 轻分子饱和蒸汽压；P2— 重分子饱和蒸汽压。

对比可以看出，由于M2大于M1，因此分子蒸馏的相对挥发度α′大于常规蒸馏的相对挥发度α，这就表明分子蒸馏较常规蒸馏更易分离，且随着轻重分子相对分子质量相差愈大，这种差别愈显著。

(4)不可逆性。通蒸馏是蒸发与冷凝的可逆过程，液相与气相间形成平衡状态。而分子蒸馏过程中，轻分子从蒸发表面逸出直接飞射到冷凝面上，中间不与其它分子发生碰撞，理论上没有返回蒸发面的可能性，为不可逆过程。加之分子蒸馏设备的结构特点，使得分离效率远高于常规蒸馏。

(5)没有沸腾和鼓泡现象[5]。普通蒸馏有鼓泡、沸腾现象。而分子蒸馏是液层表面的自由蒸发，液体中无溶解空气且在较高的真空度下进行,因此蒸馏过程中不能使整个液体沸腾,没有鼓泡现象。

(6)工艺清洁环保。分子蒸馏技术不使用任何有机溶剂,是一种温和的绿色技术，无毒、无害、无污染、无残留，能极好地保证物料的天然品质，收率高且操作工艺简单、设备少，还可用作脱臭、脱色[6]。另外，分子蒸馏技术还可与多种技术配套使用，如超临界流体技术、膜分离技术等。

3 分子蒸馏技术的局限性

任何技术都有其局限性,我国分子蒸馏技术工业化应用存在的问题主要体现在下述方面:

3.1 理论研究较少

分子蒸馏技术是近几十年发展起来的新型技术,其相关过程的基础理论尚未完全揭示，不能准确地了解分子蒸馏器内的真实状况，缺乏一些关键数据,工艺设计盲目性较大，很难确定最佳设计方案，至今为止用以揭示分子蒸馏技术的数